[发明专利]基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法

权利要求书

1.一种基于卫星生存性和链路抗毁性的卫星星座可靠性评估方法，首先需建立地面观测目标节点，确定目标节点的视场范围，并任意抓取某视场范围内的卫星节点和链路，其特征在于，包括以下步骤：

101、计算目标节点视场内的卫星生存性S；将卫星生存性S的优化目标转化为抗干扰性I、抗入侵性D和耐用性U效用函数，即；根据设置抗干扰因子量化抗干扰性；根据截获机截获入侵信号的距离评定抗入侵性；根据卫星电池寿命损耗率定义耐用性；

102、计算目标节点视场内的链路抗毁性L；将链路抗毁性L的优化目标转化为链路连通性C和链路健壮性B效用函数，即，通过自然连通度评估链路连通性；通过设定链路预算阈值计算链路健壮性；

103、运用层次分析法和加权整体评估公式，将卫星生存性S和链路抗毁性L作为优化目标指标，建立星座可靠性评估模型，定量评估卫星星座的可靠性R；

所述步骤101具体包括以下步骤：

(1)利用效用函数1对卫星的抗干扰性进行评估；

效用函数1：卫星抗干扰性是指目标卫星受到无关的干扰信号影响时，对有用信号的处理能力；抗干扰因子I用来评估卫星的抗干扰性：

其中，表示平均干扰信号发射功率；/指代平均干扰信号天线增益；/是卫星接收天线在干扰信号方向上的天线增益的平均值；/表示干扰信号源到卫星的平均距离；/为干扰信号平均带宽；P₀是有用信号源发射功率；G_t0表示有用信号发射天线增益；G_r0表示卫星接收天线在有用信号方向上的增益；h₀表示有用信号源到卫星的距离；B₀表示有用信号带宽；γ表示干扰信号与有用信号接收天线的极化不匹配损耗；

由效用函数1可得，卫星接收机接收到的干扰信号的比例越大，卫星的抗干扰因子越小；当干扰信号比有用信号大时，卫星的抗干扰性为负值；

(2)利用效用函数2对卫星的抗入侵性进行评估；

效用函数2：抗入侵性是指卫星受到恶意入侵信号时的截获信号的能力，卫星截获恶意信号的能力与截获距离和截获概率有关，截获距离d和截获概率ω被用来评估卫星抗入侵性D：

其中，为理论平均截获距离，d_user为用户预期距离，P_i为入侵信号发射功率，G_ti为入侵信号发射天线增益，G_ri为入侵信号接收天线增益，f为信号波长，L₀为各种损耗之和，ω为截获机截获概率；

其中，k是玻尔兹曼常数，T是截获机热噪声温度，N₀是截获机噪声系数，B₀是截获机有效信号带宽，是截获机信噪比；由效用函数2可知，截获距离越大，入侵信号可以再很远的地方被截获，卫星的抗入侵性越好；

(3)利用效用函数3对卫星的耐用性进行评估；

效用函数3：卫星发射早期耐用性U_early(t)，运行中耐用性U_mid(t)和后期耐用性U_last(t)共同决定了卫星运行周期内的耐用性，假设任何一个时期出现故障，则卫星即可停止运行；

U＝U_early(t)·U_mid(t)·U_last(t) (4)

其中，早期耐用性由早期发射故障率决定，卫星运行偶然故障率过小而被忽略，则有

U_mid(t)＝1， (5)

其中，μ是损耗时间均值，σ是损耗失效时间标准差；

所述步骤102对链路抗毁性进行定义和计算，链路抗毁性包括链路连通性和链路健壮性，具体包括以下步骤：

(1)利用效用函数4和5对星地链路和星间链路的连通性进行评估；

通过几何模型去计算ISL和SGL的连通性条件，S1和S2为卫星，E为地面站或地面区域中心点的位置，A为卫星星下点坐标；h为卫星轨道高度，r为地球轨道半径，d为星地距离；α为卫星半视角，θ为半地心角，为用户仰角，ω为卫星间地心角，he为ISL最小间隙；

效用函数4：若已知地面用户坐标星下点坐标/可得星地夹角θ_EA；

则可得星地链路连通性条件

效用函数5：若已知卫星S₁的经纬度坐标和卫星S₂的经纬度坐标/则可得最大星间地心角ω_max和实际星间地心角ω的关系

则可得星间链路连通性条件

根据地面视场角范围内的卫星数N_sat，可以计算最大连通度C_max；

(2)利用效用函数6对链路健壮性进行评估；

效用函数6：链路健壮性与发射段的功率、天线增益，以及各种损耗和干扰有关，链路健壮性B评估公式如下：

其中，(C/N)_user为用户设定链路预算阈值，C/N是链路预算：

其中，k为玻尔兹曼常量，为1.38×10^-23J/K＝-228.6dB·W/(K×Hz)，T_p为等效噪声温度，B为接收系统的等效噪声带宽，N为各项噪声之和；

所述步骤103中，建立可靠性评估模型中的层次分析法和加权整体评估公式具体为：

Max R＝λ_sS+λ_lL＝λ_s(λ_iI+λ_dD+λ_uU)+λ_l(λ_cC+λ_bB)， (16)

其中：

λ_s+λ_l＝1， (17)

λ_i+λ_d+λ_u＝1， (18)

λ_c+λ_b＝1， (19)

P_battery+P_antenna+P_control≤P_sum， (20)

L_fsl+L_cloud+L_rain+L_snow+L_other≤L_sum (21)

其中，λ_s、λ_l、λ_i、λ_d、λ_u、λ_c、λ_b、分别表示卫星生存性、链路抗毁性、卫星抗干扰性、卫星抗入侵性、卫星耐用性、链路连通性、链路健壮性各自评估指标所代表的权值；P_battery、P_antenna、P_control分别表示卫星电池功耗、卫星天线发射功耗、卫星姿态轨道控制功耗，P_sum表示卫星总体功耗，L_fsl、L_cloud、L_rain、L_snow、L_other分别表示自由空间损耗、极端天气中的云损耗、极端天气中的雨损耗、极端天气中的雪损耗和其它损耗，L_sum表示链路总体损耗；

目标函数(16)通过整体加权上述各项指标去量化卫星星座可靠性；限制条件(17)是对卫星生存性和链路可靠性的加权参数；限制条件(18)是对卫星抗干扰性，卫星抗入侵性，卫星耐用性的加权参数；限制条件(19)是对链路连通性和链路健壮性的加权参数；限制条件(20)是指电池功耗，天线功耗和姿态轨道控制功耗不应高于设定的总体功耗；限制条件(21)是指自由空间损耗，极端天气损耗，和其它损耗不应大于设定的总体损耗。